边坡工程.docx
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边坡工程
强度折减法对边坡的的稳定性分析
题目:
作业内容为采用有限元软件,用强度折减法对一边坡进行稳定性分析,边坡高度选取为40m~60m,边坡宽度由自定的坡高按图中比例拟定,作业需上交一份分析报告。
一、基本情况
本边坡工程采用坡高为52m,水平坡总长度为69.76m,边界条件为左右两侧水平约束,下部竖向约束,上部为自由边界。
计算采用的力学参数如下表一,该边坡工程采用ansys有限元分析,方法采用有限元强度折减法,设
为初始强度参数,安全系数采用
的强度折减定义形式。
本次模拟进行三种工况:
1.开挖施工前的稳定性,并模拟雨水的渗透作用。
2.模拟边坡开挖后不支护时的稳定性。
3.模拟预应力锚索加固后的稳定性。
表一计算采用的力学参数
材料
重度
弹性模量
泊松比
内聚力
内摩擦角
名称
kN/m3
MPa
kPa
。
破残积土
21
350
0.4
40
40
强--中风化岩体
24
5000
0.2
3000
50
C25砼
25
29000
0.2
按线弹性材料处理
二、模型建立
1.按照平面应变建立有限元模型。
2.岩土材料用6节点三角形平面单元PLANE2模拟。
3.预应力锚索加固作用通过施加集中力的方法来模拟。
4.框架竖肋用梁单元模拟。
5.岩土材料本构模型采用理想弹塑性模型。
6.屈服准则为摩尔-库伦等面积圆屈服准则。
边坡破坏判断:
1.以有限元静力平衡计算不收敛作为边坡整体失稳的标志。
2.以塑性区(或者等效塑性应变)从坡脚到坡顶贯通作为边坡整体失稳的标志。
三、各工况分析情况结果
第一种工况:
针对施工前的稳定性分析。
折减系数采用1.1,1.2,1.3,1.4,1.5,1.6。
从ansys软件分析结果来看,1.1-1.5这段的折减是收敛的,到1.6就出现不收敛,在收敛阶段,该模型的最大位移变化比较小,从0.00467缓慢变化到0.004856,而塑性应变在这个过程中变化稍快,从0.568e-4变化到0.382e-3,几乎变化了一个数量级。
而在不收敛时,该模型的最大位移为0.03475,等效塑性应变为0.056483,很明显,不收敛时,位移和等效塑性应变突然变化很大,说明此时边坡已经很不稳定。
图一折减系数F=1.0等效塑性应变云图
图二折减系数F=1.1等效塑性应变云图
图三折减系数F=1.2等效塑性应变云图
图四折减系数F=1.3等效塑性应变云图
图五折减系数F=1.4等效塑性应变云图
图六折减系数F=1.5等效塑性应变云图
图七折减系数F=1.6等效塑性应变云图
从上图可知,塑性区主要发生在残积坡土处,岩体非常稳定,基本上没出现塑性区域,随着雨水的渗透,内聚力和摩擦角不断减小,塑性区也在不断扩大,直至F=1.6,土体发生较大变形,也就是我们认为的边坡破坏。
因此,该模型未开挖时的安全系数为1.5.
第二种工况:
开挖后不支护的稳定性。
折减系数采用1.05,1.1,1.2,1.3,1.45,1.5.
从ansys软件分析结果来看,1.05-1.5这段的折减是收敛的,但在F=1.5时出现塑性贯通区,由于没有加支护,经过分析,一开始折减速度太快,则会在第一次折减时立刻出现不收敛,表示土坡已经破坏,所以在1.0-1.1之间增加了1.0的折减系数作为缓冲,在收敛阶段,该模型的最大位移变化比较小,从0.004695缓慢变化到0.004878。
等效塑性应变由0.59e-4变为0.808e-3,塑性贯通后位移和等效塑性应变突然变化很大,由此导致模型不收敛,说明此时边坡已经很不稳定。
图八折减系数F=1.0等效塑性应变云图
图九折减系数F=1.05等效塑性应变云图
图十折减系数F=1.1等效塑性应变云图
图十一折减系数F=1.2等效塑性应变云图
图十二折减系数F=1.3等效塑性应变云图
图十三折减系数F=1.45等效塑性应变云图
图十四折减系数F=1.5等效塑性应变云图
从上云图可知,塑性区主要发生在残积坡土处,且最大塑性应变出现在残积坡土最下端,而岩体非常稳定,基本上没出现塑性区域,说明尽管下部开挖,但是还是比较稳定的,然而随着雨水的渗透,内聚力和摩擦角不断减小,由开始的上下两处塑性区变为一处,塑性区在不断扩大,预计最下端残积坡土会率先出现塌落,直至F=1.5,残积坡土的塑性区贯通,也就是我们认为的边坡破坏,如果继续遭遇雨水的侵蚀,即折减系数继续增大,则整个残积坡土很有可能会塌落下来。
因此,该模型开挖后未加固的安全系数为1.5.
第三种工况:
预应力锚索加固的稳定性。
采用预应力锚索框架加固,边坡采用6排压力型预应力锚索框架加固,锚索水平间距均为3.0m。
每根锚索设计锚固力600kN。
折减系数采用1.0,1.1,1.2,1.25,1.3,1.4,1.52.
从ansys软件分析结果来看,1.0-1.52这段的折减是收敛的,但在F=1.52时出现塑性贯通区,由于加了支护,经过分析,一开始按0.1的折减还是比较稳定的,但是在F=1.2以后,折减过快同样出现不收敛,故增加了1.52的折减系数,不然会在第四次折减时立刻出现不收敛,表示土坡已经破坏,在收敛阶段,该模型的最大位移变化比较小,从0.004819缓慢变化到0.00502。
等效塑性应变由0.442e-4变为0.978e-3,塑性贯通后位移和等效塑性应变突然变化很大,由此导致模型不收敛,说明此时边坡已经很不稳定。
图十五折减系数F=1.0等效塑性应变云图
图十六折减系数F=1.1等效塑性应变云图
图十七折减系数F=1.2等效塑性应变云图
图十八折减系数F=1.25等效塑性应变云图
图十九折减系数F=1.3等效塑性应变云图
图二十折减系数F=1.4等效塑性应变云图
图二十一折减系数F=1.52等效塑性应变云图
从上云图可知,塑性区主要发生在残积坡土处,且最大塑性应变出现在残积坡土最下端,而岩体非常稳定,基本上没出现塑性区域,本模型对下部开挖处进行了加固,然而下部岩体本身的稳定性很好,不稳定区域主要位于上部的残积坡土,所以加固效果不是很明显,同样随着雨水的渗透,内聚力和摩擦角不断减小,由开始的上下两处塑性区变为一处,塑性区在不断扩大,预计最下端残积坡土会率先出现塌落,直至F=1.52,残积坡土的塑性区贯通,也就是我们认为的边坡破坏,如果继续遭遇雨水的侵蚀,即折减系数继续增大,则整个残积坡土很有可能会塌落下来。
因此,该模型开挖后加固时的安全系数为1.52.
四、结语
通过以上分析,可以得出如下结论:
1)建立在强度折减有限元分析基础上的边坡稳定分析理论,折减系数本身就是传统意义上的边坡稳定系数,通过折减土体材料的强度来分析边坡的稳定性,直到不收敛为止,此时的强度折减系数即为所求的边坡安全系数。
利用ANSYS的后处理功能可以直观的显示出坡体的实际滑动面。
2)该边坡在F=1.5时还是收敛,也没有出现塑性贯通区,然而开挖后未加支护时,在F=1.5时出现了塑性贯通区,并且在前期折减还不能降低的很快,换句话说,如果未加护坡,遇到暴雨等情况,很有可能立刻出现塌陷,由此说明尽管岩体的稳定性较高,但是挖去下部岩体对上部残积坡土的稳定性还是有一定影响的。
3)第三种工况在第二种的基础上进行加固措施,尽管从软件分析的结果来看,这种加固措施不是很理想,但是加固后在前期按0.1的折减还是比较稳定的,也就是遇到突发大雨等情况短时间不会出现塌落。
另外,从最终结果来看,加固后的安全系数为1.52,相比未加固有所提高。
4)在强度折减后计算出来的位移和变形的值,并不反映实际的真实的位移和变形,只是用强度折减,使计算不收敛,从而得出边坡安全系数。
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